第4章數(shù)控系統(tǒng)的硬件和軟件.ppt

1、第四章數(shù)控系統(tǒng)的硬件和軟件，4.1概述，4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，4.3數(shù)控系統(tǒng)的輸入輸出接口，4.4數(shù)控系統(tǒng)的通信，4.5數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，4.6數(shù)控機床的可編程控制器，4.1概述，4.1.1計算機數(shù)控系統(tǒng)的概念根據(jù)電子工業(yè)協(xié)會數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)化委員會的定義， 計算機數(shù)控(CNC)系統(tǒng)是一種特殊的計算機系統(tǒng)，它利用計算機通過在其存儲器中執(zhí)行程序來完成數(shù)控所需的部分或全部功能，并配有接口電路和伺服驅(qū)動器。下頁，返回，4.1概述，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)輸入的程序(或指令)，通過計算機進行插補運算，形成理想的軌跡。通過插值計算的位置數(shù)據(jù)被輸出到伺服單元，并且電機被控制以驅(qū)動致動器來處理所需的部件。數(shù)控系統(tǒng)由程序、

2、輸入輸出設(shè)備、計算機數(shù)控裝置、可編程控制器、主軸驅(qū)動和進給驅(qū)動裝置等組成。數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心，如圖4-1所示。計算機數(shù)控設(shè)備的組成數(shù)控設(shè)備由硬件和軟件組成。硬件由微處理器、存儲器、位置控制、輸入輸出接口、可編程邏輯控制器、圖形控制、電源等模塊組成。硬件組成如圖4-2所示。軟件由系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件組成。為實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的各種功能而編制的專用軟件稱為系統(tǒng)軟件。在系統(tǒng)軟件的控制下，數(shù)控裝置自動處理輸入的加工程序，并發(fā)出相應(yīng)的控制指令和進給控制信號。系統(tǒng)軟件由管理軟件和控制軟件組成，如圖4-3所示。管理軟件負(fù)責(zé)零件加工程序的輸入輸出、輸入輸出處理、系統(tǒng)顯示和故障診斷?？刂栖浖?fù)責(zé)解碼處理、刀具補償

3、、速度處理、插補運算、位置控制等。下一頁，上一頁，返回，4.1概述，1微機在計算機數(shù)控裝置中微機(以下簡稱微機)是計算機數(shù)控裝置的核心。像普通計算機一樣，它包括中央處理器、內(nèi)存、輸入輸出接口、時鐘、解碼和其他輔助電路。下一頁，上一頁，下一頁，4.1概述，中央處理器由算術(shù)單元和控制器組成。算術(shù)單元是對數(shù)據(jù)執(zhí)行算術(shù)和邏輯運算的組件。在運算過程中，運算單元不斷獲取存儲器提供的數(shù)據(jù)，并將運算的中間結(jié)果發(fā)回存儲器暫存?？刂破鲝拇鎯ζ髦幸来稳〕鰳?gòu)成程序的指令，并在解碼后，向數(shù)控系統(tǒng)的各個部分發(fā)出控制信號，以便執(zhí)行指令。下一頁，上一頁，返回，4.1概述，存儲器用于存儲系統(tǒng)軟件和零件處理程序，并存儲操作的中間

4、結(jié)果和處理的結(jié)果。它包括兩個部分：存儲系統(tǒng)控制軟件的存儲器和存儲中間數(shù)據(jù)的存儲器。只讀存儲器中的系統(tǒng)控制軟件程序由數(shù)控系統(tǒng)制造商編寫，用于完成數(shù)控系統(tǒng)的各種功能。下一頁，上一頁，返回，4.1概述，輸入/輸出接口是中央處理器與外界通信的通道，它提供物理連接手段，完成數(shù)據(jù)格式和信號形式的必要轉(zhuǎn)換。輸入輸出接口按其功能可分為兩類：一類是連接常規(guī)輸入輸出設(shè)備實現(xiàn)程序輸入輸出和人機交互的接口，稱為通用輸入輸出接口；另一個與專用的控制和檢測裝置相連，控制和檢測機床的位置和工作狀態(tài)，這是數(shù)控系統(tǒng)獨有的，稱為機床控制輸入輸出接口。輸入/輸出設(shè)備的輸入/輸出部分包括各種類型的輸入/輸出設(shè)備(也稱為外部設(shè)備)和輸

5、入/輸出接口控制組件。其外部設(shè)備主要包括光電閱讀器、陰極射線管顯示器、鍵盤、沖床和面板等。其中，光電閱讀器用于輸入系統(tǒng)程序和零件加工程序；陰極射線管用于顯示和監(jiān)控；鍵盤主要用于輸入操作命令和編輯修改數(shù)據(jù)，也可以作為少量零件加工程序的輸入；打孔機用作復(fù)制零件程序的紙帶，以便保存和檢查零件程序；操作面板允許操作員改變操作模式、輸入設(shè)置數(shù)據(jù)、開始和停止加工等。典型的輸入輸出接口控制部件包括紙帶輸入機接口、盒式磁帶輸入機接口、數(shù)控系統(tǒng)操作面板接口、進給伺服控制接口和字符顯示(CRT)接口等。下一頁，上一頁，后一頁，4.1概述，3可編程邏輯控制器(可編程邏輯控制器)數(shù)控機床的控制在控制側(cè)(數(shù)控側(cè))有每個

6、坐標(biāo)軸的運動控制，在機床側(cè)(機床側(cè))有各種執(zhí)行機構(gòu)的邏輯順序控制?？删幊炭刂破魑挥跀?shù)控和機床之間，處理數(shù)控和機床的輸入輸出信息，通過軟件實現(xiàn)機床側(cè)的控制邏輯，即可編程控制器提高了數(shù)控系統(tǒng)的靈活性、可靠性和利用率，使結(jié)構(gòu)更加緊湊。下一頁，上一頁，返回，4.1概述，有內(nèi)置型和獨立型數(shù)控機床可編程控制器?？删幊绦蚩刂破鞯膽?yīng)用程序，即可編程序控制器程序，通常用梯形圖表示。編制可編程序控制器程序的設(shè)備包括可編程序控制器專用編程器、編程器、具有可編程序控制器編程功能的數(shù)控系統(tǒng)或裝有可編程序控制器編程系統(tǒng)軟件的個人計算機(或工作站)。下一頁，上一頁，后一頁，4.1概述，4位置控制裝置位置控制裝置由伺服機構(gòu)和

7、執(zhí)行器組成。伺服機構(gòu)包括速度控制單元和位置控制單元。通過插補運算得到的單位時間間隔內(nèi)各坐標(biāo)軸的位移被送到位置控制單元，位置控制單元產(chǎn)生伺服電機速度指令，并將其送到速度控制單元。速度控制單元接收速度反饋信號，對伺服電機進行速度閉環(huán)控制；同時，位置控制單元接收實際位置反饋，修正速度指令，實現(xiàn)機床運動的精確控制。致動器可以是交流或DC伺服電機。下一頁，上一頁，返回，4.1概述，4.1.3計算機數(shù)控裝置的工作原理在其硬件環(huán)境的支持下，數(shù)控裝置根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)控軟件的控制邏輯控制輸入、解碼處理、數(shù)據(jù)處理、刀具補償、速度控制、插補運算和位置控制、輸入輸出處理、顯示和診斷。下一頁，上一頁，返回，4.1概述，1將零

8、件加工程序、控制參數(shù)和補償數(shù)據(jù)輸入數(shù)控裝置。常用的輸入方法包括鍵盤手動輸入、光電閱讀器紙帶輸入、磁盤輸入、磁帶輸入、通信接口RS-232輸入、連接到上級計算機的DNC接口輸入和網(wǎng)絡(luò)通信輸入。數(shù)控設(shè)備還需要在輸入過程中完成程序檢查和代碼轉(zhuǎn)換。所有輸入信息都存儲在數(shù)控設(shè)備的內(nèi)部存儲器中。下一步、前一步、后一步、4.1概述、2解碼處理解碼處理程序在程序段中處理零件程序，每個程序段包含零件的輪廓信息、所需的處理速度和其他輔助信息(刀具更換、切削液開始/停止等)。)，在計算機執(zhí)行插值運算和控制運算之前，必須將其翻譯成計算機內(nèi)部可識別的語言，解碼程序承擔(dān)這一任務(wù)。在解碼過程中，有必要檢查程序段的語法，如果

9、發(fā)現(xiàn)語法錯誤，應(yīng)立即向警方報告。數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理程序通常包括刀具半徑補償、速度計算和輔助功能處理等。一般來說，輸入數(shù)據(jù)處理程序的實時性要求不高。輸入數(shù)據(jù)處理充分，減少了插補運算和速度控制程序的負(fù)擔(dān)，加工過程實時性強。下一步、上一步、返回、4.1概述、4插補運算和位置控制插補運算程序完成數(shù)控系統(tǒng)中插補器的功能，即實現(xiàn)軸脈沖分配的功能。脈搏分布包括三個方面：點、線和曲線。由于現(xiàn)代微機有完善的指令系統(tǒng)和相應(yīng)的算法子程序，為插補計算提供了許多便利?？梢允褂靡恍└奖愕臄?shù)學(xué)方法來提高輪廓控制的精度，而不用擔(dān)心增加硬件電路。下一頁、上一頁、返回、4.1概述、插補運算結(jié)果輸出，通過位置控制部分(這部分工作可

10、以由軟件完成，也可以由硬件完成)控制伺服系統(tǒng)運動，控制刀具按預(yù)定軌跡加工。位置控制的主要任務(wù)是在每個采樣周期內(nèi)將插值計算的理論位置與實際反饋位置進行比較，并利用差值來控制進給電機。在位置控制中，為了提高機床的定位精度，通常要完成位置環(huán)的增益調(diào)整、各坐標(biāo)方向的俯仰誤差補償和反向間隙補償。下一頁，上一頁，返回，4.1概述，一個更高層次的管理程序可以使多個程序并行工作，如數(shù)據(jù)輸入處理，空閑時的插補運算和速度控制，即調(diào)用每個函數(shù)子程序來完成下一個數(shù)據(jù)段的讀取、解碼和數(shù)據(jù)處理，并保證在處理這個數(shù)據(jù)段的過程中準(zhǔn)備好下一個數(shù)據(jù)段。一旦該數(shù)據(jù)段被處理，下一個數(shù)據(jù)段的插值處理將立即開始。一些管理程序還安排系統(tǒng)的

11、自動編程或必要的預(yù)防性診斷。輸入/輸出處理輸入/輸出處理主要處理數(shù)控設(shè)備和機床之間信號的輸入、輸出和控制。數(shù)控裝置和機床必須用光電隔離電路隔離，以保證數(shù)控裝置的穩(wěn)定運行。下頁、上一頁、返回、4.1概述、6顯示數(shù)控裝置顯示主要是為了方便操作人員，通常具有零件程序顯示、參數(shù)顯示、機床狀態(tài)顯示、刀具加工軌跡動態(tài)模擬圖形顯示、報警顯示等功能。下一頁，上一頁，返回，4.1概述，7診斷程序數(shù)控設(shè)備可以使用內(nèi)部自診斷程序進行故障診斷，主要包括啟動診斷和在線診斷。啟動診斷是指每次數(shù)控設(shè)備從開機開始進入正常運行準(zhǔn)備狀態(tài)，系統(tǒng)相應(yīng)的自診斷程序都會通過掃描自動檢查系統(tǒng)硬件、軟件及相關(guān)外設(shè)是否正常。只有當(dāng)所有檢查的項

12、目都被確認(rèn)為正確時，整個系統(tǒng)才能進入正常運行的準(zhǔn)備狀態(tài)。否則，數(shù)控設(shè)備將通過網(wǎng)絡(luò)、薄膜晶體管、陰極射線管或硬件(如發(fā)光二極管)報警模式顯示故障信息。此時，啟動診斷過程無法完成，系統(tǒng)無法投入運行。只有排除故障后，數(shù)控設(shè)備才能正常運行。下一頁，上一頁，返回，4.1概述，在線診斷是指在系統(tǒng)正常運行期間，通過系統(tǒng)相應(yīng)的內(nèi)置診斷程序?qū)?shù)控設(shè)備本身和外圍設(shè)備進行的檢查。只要系統(tǒng)不斷電，在線診斷將繼續(xù)進行。前一頁，后一頁，4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，4.2.1按硬件制造方法分類數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)可根據(jù)不同的硬件制造方法分為兩類：專用數(shù)控系統(tǒng)和個人計算機數(shù)控系統(tǒng)。下頁，返回，4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，1專用數(shù)控

13、系統(tǒng)這種數(shù)控系統(tǒng)的硬件是由各廠家專門設(shè)計制造的，沒有通用性。其中，有大板結(jié)構(gòu)和模塊化結(jié)構(gòu)。大板結(jié)構(gòu)數(shù)控設(shè)備一般由主電路板、可編程邏輯控制器板、附加輸入輸出板、圖形控制板和電源單元組成。主電路板是一個大的印刷電路板，其他電路板是小的電路板，并插入到大電路板的插槽中。大板的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-4所示。大板結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、可靠性高、性價比高，也便于機床的一體化設(shè)計。但是，它的硬件功能不容易改變，這不利于組織生產(chǎn)。下一頁，上一頁，返回，4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，數(shù)控裝置采用模塊化功能模塊的控制軟件也是模塊化的。因此，數(shù)控設(shè)備可以以積木的形式構(gòu)建，使得設(shè)計簡單，調(diào)試和維護方便，具有良好的適應(yīng)性和擴展性。

14、在過去，數(shù)控系統(tǒng)硬件是由不同的數(shù)控制造商設(shè)計和制造的，硬件之間不能互換或替換。近年來，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計算機，即工業(yè)pc機，已經(jīng)被采用作為數(shù)控系統(tǒng)的支撐平臺。不同的數(shù)控制造商只需要插入他們自己的控制卡和數(shù)控軟件來形成數(shù)控系統(tǒng)，而不需要設(shè)計特殊的硬件。由于生產(chǎn)了數(shù)百萬臺工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計算機，生產(chǎn)成本非常低，這反過來又降低了數(shù)控系統(tǒng)的成本。如果工業(yè)電腦出現(xiàn)故障，很容易修理和更換。ANILAM公司和AI公司生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)屬于這種類型。下一頁，上一頁，返回，4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，4.2.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)一般分為單個微處理器和多個微處理器。早期的數(shù)控系統(tǒng)和一些現(xiàn)有的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)都采用單微處理器結(jié)構(gòu)。隨著機械

15、制造技術(shù)的發(fā)展，對數(shù)控機床提出了功能復(fù)雜、加工速度快、加工精度高的要求，也對更高層次的自動制造系統(tǒng)和CIMS提出了要求。因此，多微處理器結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速，反映了當(dāng)今數(shù)控系統(tǒng)的新水平。下一頁，上一頁，返回，4.2數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，1單微處理器結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)在單微處理器結(jié)構(gòu)中，只有一個微處理器用于數(shù)控任務(wù)的集中控制和分時處理。有些數(shù)控系統(tǒng)有兩個以上的微處理器，但只有一個微處理器能控制系統(tǒng)總線并占用總線資源；其他微處理器成為特殊的智能組件，不能控制系統(tǒng)總線和訪問主存儲器。它們形成一個主從結(jié)構(gòu)，所以它們被歸類為一個單一的微處理器結(jié)構(gòu)。單微處理器的結(jié)構(gòu)框圖如圖4-5所示。下一頁，上一頁，返回，4.2數(shù)控系統(tǒng)

16、的硬件結(jié)構(gòu)，單微處理器結(jié)構(gòu)的基本組成如下：微處理器和總線；記憶。紙帶閱讀器接口；紙帶穿孔機和電傳打字機之間的接口；輸入輸出接口；位置控制器；PLC .下一頁，上一頁，返回，4.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，單微處理器結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)具有以下特點：(1)數(shù)控系統(tǒng)只有一個微處理器，集中控制和處理存儲、插補運算、輸入輸出控制和陰極射線管顯示等功能。(2)微處理器與存儲器、輸入/輸出控制器等各種接口相連。通過總線形成數(shù)控系統(tǒng)。(3)結(jié)構(gòu)簡單，易于制造。(4)由于只有一個微處理器進行集中控制，單個微處理器的功能將受到諸如字長、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和微處理器的操作速度等因素的限制。下一頁，上一頁，返回，4.2數(shù)控系統(tǒng)

17、的硬件結(jié)構(gòu)，由于插補等功能都是通過軟件實現(xiàn)的，數(shù)控功能的實現(xiàn)和加工速度成為一對突出的矛盾。為了解決這一矛盾，可以增加浮點協(xié)處理器，硬件共享精插補，采用帶微處理器的智能元件如可編程控制器和陰極射線管，或者采用多微處理器結(jié)構(gòu)。下一頁，上一頁，返回，4.2數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，2多微處理器結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)(1)多微處理器的特點是高性價比，多微處理器用來完成其特定功能，滿足多軸控制、高精度、高速高效的控制要求。同時，由于單個低規(guī)格CPU的價格相對便宜，其性能價格也相對較高。模塊化結(jié)構(gòu)具有良好的適應(yīng)性和擴展性，結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)試和維護方便。通訊功能強大，方便實現(xiàn)FMS、FA和CIMS。下一頁，上一頁，返回，4.2數(shù)控系